JP2007250554A - 接合品 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＣＡＬＰＥＬおよび同様な投影電子リソグラフシステムで使用される、従来の結合品の欠点を、単結晶カソードと部材を含む結合品により、熱および／または構造体のサポートを与え、その結果、単結晶カソードの結晶構造は、カソードを部材に結合した後も維持されるようにする。
【解決手段】単結晶カソードと、単結晶カソードに接合される部材を有する接合品において、単結晶カソードの単結晶構造は、接合後も保持されている。
【選択図】なし

Description

本発明は、電子ビーム投射リソグラフ装置に用いられる接合品と、その製造方法に関する。この接合品は、仕事関数が改善された材料製のカソードを有し、また、この接合品を製造する方法は、局部接合技術を用いて、カソードの材料の仕事関数を改善している。

ＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）（Scattering Angular Limitation Projection Electron Beam Lithograph）のような、電子ビーム投射リソグラフ技術は、パターン化されたマスク上に投射された電子ビーム放射を用いて、そのパターンの画像を、基板上に形成されたエネルギー感受性の高い材料の層に転写している。その画像を、後続のプロセスで現像して、集積回路のようなデバイスを形成している。

ＳＣＡＬＰＥＬマスクは、原子番号の低い材料（以下、低原子番号材料）製の薄膜を有し、その上に、原子番号の高い材料（以下、高原子番号材料）製の層を形成している。この高原子番号材料製の層は、そこに画成されたパターンを有する。この低原子番号材料製の層と、高原子番号材料製のパターン化された層の両方は、そこに投射される電子（電子は、１００ｋｅＶのエネルギーを有する）に対し透明である）。しかし、低原子番号材料製薄膜は、電子を小さな角度で弱く散乱させる。一方、高原子番号材料製パターン化層は、電子を大きな角度で強く散乱させる。かくして、高原子番号材料製のパターン化層を透過した電子は、低原子番号材料製薄膜を透過した電子よりも、散乱角が大きい。この散乱角の差により、低原子番号材料製の薄膜のみを通過した電子と、前記薄膜の上に形成された高原子番号材料製のパターン化層を透過した電子との間のコントラストが得られる。

このコントラストを用いて、マスクからパターンの画像を、エネルギー感受性の高い材料の層に転写するが、これは、マスクとエネルギー感受性の高い材料製の層との間の投影光学装置内のバック焦点面（back focal plane）フィルタを用いて行われる。このバック焦点面フィルタは、開口を有する。弱く散乱した電子は、この開口を通過するが、一方強く散乱した電子は、このバック焦点面フィルタによりブロックされる。かくして、弱く散乱した電子で規定されたパターンの画像は、開口を通して、エネルギー感受性の高い材料の層に転写される。

図１は、従来のＳＣＡＬＰＥＬシステムの概念を表す図である。同図において、電子１０のビームＢは、散乱マスク９の方向に向けられるが、この散乱マスク９は、１０００Åと２００００Åの間の厚さを有する薄膜１１を有する。この薄膜１１は、電子１０からなる電子ビームＢに対し、実質的に透明な材料で構成されている。すなわち、ビームＢの電子１０は、ビームのソースから薄膜１１を通過する際に、ビームＢ内の電子１０のパスに、障害物となるような他の対象物が存在しない場合には、薄膜１１を自由に貫通する。

電子１０に面した薄膜１１の側の上に、高密度散乱素子１２のパターンが配置されて、コントラストメカニズムを提供し、これにより、目標表面（ワークピー図）に、マスクパターンを再生する。この高密度散乱素子１２は、ワークピース１７の上に露出されるべき合成形状がパターン化されたものである。このワークピース１７は通常シリコンウェハであり、電子ビーム感受性レジストでもってコーティングされ、そして図１に示すように、散乱素子１８が形成される。散乱マスク９を通過する電子ビームＢからの電子１０は、ビーム１４で示され、これは、電磁レンズ１５を貫通する。この電磁レンズ１５は、開口１６'を通過したビーム１４を、それ以外の場所は不透明であるバック焦点面フィルタ１６に焦点を合わせる。この開口１６'により、小さな角度で散乱した電子のみが、ワークピース１７に到達する。

従来のＳＣＡＬＰＥＬ露光ツールを図２に示す。この露光ツール２０は、ソース２２（通常電子ガン）と、マスク段２４と、画像光学装置２６と、ウェハ段２８を有する。マスク段２４とウェハ段２８は、計測プレート３０と称するアルミ製のブロックの上部と底部に搭載される。計測プレート３０は、３０００ｌｂｓのオーダーの大きさであり、露光ツール２０全体に対する熱的および機械的な安定装置として機能する。

図３は、従来技術にかかる装置の詳細を示す。このソース２２は、カソード４２と、アノード４３と、グリッド電極４４と、焦点プレート４５と、フィラメント４６とを有する。カソード４２とフィラメント４６は、従来の接合品４９を含む。カソード４２と、アノード４３と、グリッド電極４４と、焦点プレート４５のそれぞれは、焦点５０の下層ラインに対し、ほぼ円形で、かつ半径方向に対称である。米国特許第５４２６６８６号に開示された従来システムにおいては、グリッド電極４４は、ＧａＡｓ製、バイアルカリ（bialkali）カソード材料製、Ｃｓ₃Ｓｂ製、または仕事関数の低い純粋な材料（例えばＴａ、Ｓｍ、Ｎｉ）製である。米国特許第５４２６６８６号に開示された従来の他のシステムにおいては、カソード４２は、混合、あるいはスパッタリングまたはアニーリングによる堆積技法による半導体材料へ添加された金属製である。この金属は、好ましくは、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、あるいは酸化物あるいはこれらの材料のハロゲン化物である。従来技術にかかるカソードのこの一実施例は、Ｎｉの表面にアニールしたＴａから構成される。

多くの電子ビームリソグラフシステム（ダイレクト電子ビーム書き込み装置）は、高い電流密度の一点状の電子ソースを必要とする。従来のタンタル、タングステン等の純粋金属製の熱電子カソード、あるいはＬａＢ₆製のカソードが、これらのアプリケーションに適したものである。

これに対し、ＳＣＡＬＰＥＬシステムは、断面の電流密度の変動が約２％で、断面が１ｍｍ²の平行電子ビームを必要とする。従来の熱電子カソードは、２％以上、例えば５−１０％の変動がある仕事関数を有している。しかし、“High emittance electron gun for projection lithography,”W. Devore et al., 1998 American Vacuum Society, J. Vac. Sci. Technol. B 14(6), Nov/Dec. 1996, pp. 3764-3769 に示されているように、ＳＣＡＬＰＥＬプロセスは、仕事関数の変動が２％以下の熱電子カソードを必要とする。

例えば、放射の均一性、低仕事関数、低蒸発速度、高電圧の操作環境、真空汚染の耐性のような、ＳＣＡＬＰＥＬの要件に合致した、従来の熱電子カソードは、円形をしたＴａ製のカソード（米国特許第５４２６６８６号に開示された）である。この円形のＴａ製のカソードは、熱間または冷間圧延によるＴａ製のホイルを、マイクロ多結晶材料に熱圧延された材料から形成されている。その多結晶性故に粒子が５−２０度のオーダーで互いに方向がずれている（misoriented）。従来の多結晶Ｔａ製カソードは、粒子サイズが５−４００μｍの間で分布する制御されない状態を有する。

結晶構造の方向性、および結晶粒子サイズの分布に対するタンタルの仕事関数の感受性に起因して、従来の多結晶Ｔａ製カソードの仕事関数の分布は、「不調和」で、粒子ごとに変わり（方向とサイズが異なるために）、その結果、放射パターンがギザギザになる即ち均一でなくなることにより、受け入れることができない。この方向の不整合および粒子サイズの不均一が大きくなると、不整合の問題がさらに大きくなる。粒子の方向性の不整合と粒子サイズの差による非均一性およびカソード表面上の粒子の成長は、ＳＣＡＬＰＥＬ電子光学系により、整形開口、対象物表面へ移され、そして最終的には、ウェハの表面（画像面）に転写されてしまう。

ＳＣＡＬＰＥＬカソードとともに使用される従来の多結晶カソード材料は、ＳＣＡＬＰＥＬの高い動作温度（１２００−２０００℃）と長期の使用（１０００時間以上）において、粒子が成長し荒い組織が生成されることになってしまう。全放射電流は満足すべきものであるが、カソード表面の構造体の進展により、カソード表面上にダークスポットが表れ、カソードをＳＣＡＬＰＥＬシステムに対しては受け入れがたいものにしてしまう。さらに、従来のカソード材料（例えば、ＬａＢ₆）は、ＳＣＡＬＰＥＬの動作環境で容易に汚染されてしまう。これに関しては、“Design of a low-brightness,highly uniform source for projection electron-beam lithography （ＳＣＡＬＰＥＬ）”, W. K. Waskiewicz et al., 著の Proc. SPIE, 3155(1997). を参照されたい。

さらにまた、図３に示すカソード４２のような従来のカソードと、ＬａＢ₆製のカソードを、従来の全体結合技術例えばスポット溶接により、それぞれの対応するフィラメントに結合する。しかし、スポット溶接は、溶接点近傍の広い領域の構造体の性質を変化させてしまう。そのため、フィラメント４６とカソード４２を結合するために、従来技術では、フィラメント４６をカソード４２の表面に強く押しつけ、高い電流を流して相互作用点を高温にしなければならない。

従来のスポット溶接をしている間、大電流がカソード４２全体を流れて、カソード４２の全体的な熱放射とそれに関連する応力と引っ張り力を全般に渡って引き起こしてしまう。この応力と引っ張り力が、結晶構造を変化させてしまい、その結果、５−２０度程度粒子の方向性がずれてしまう。従来のスポット溶接技術においては、７５×２００μｍ²のフィラメントディスクの接触領域に、２００ｇ以上のスポット溶接圧力を加えているが、その結果圧力は、１．３×１０³ｋｇ／ｃｍ²を越えてしまい、カソード４２の変形の限界以上である。その結果、溶接点近傍のカソードの領域は、放射の観点からは劣化していないが、再結晶の中心は、スポット溶接されたカセットをＳＣＡＬＰＥＬのソースでは使用できなくなる。図４は、このスポット溶接により引き起こされた結晶中心軸の不整合（misoriented）の例を示す。

本発明の目的は、ＳＣＡＬＰＥＬおよび同様な電子投影リソグラフシステムで使用される、従来の結合品の欠点を、単結晶カソードと部材を含む結合品により、熱的または構造体的サポートを与え、その結果、単結晶カソードの結晶構造は、カソードを部材に結合した後も維持されるようにすることである。

本発明の単結晶カソードは、絶対的な意味での単結晶ではなく、±１°以下のの方向性変動を有する構造体と定義する。その単結晶構造（single crystalline structure）の性質（微少の方向性変動を有する）のために、本発明の単結晶構造は、方向性の異なった粒子を有さない。その結果、本発明の単結晶カソードは、従来の微細多結晶ホイルよりも構造体の非均一性が少なく、より均一な放射特性が得られる。本発明の一実施例によれば、本発明の単結晶カソードは、タンタル製である。

本発明はまた、従来のＳＣＡＬＰＥＬシステムで使用される、従来の熱供給、および／または構造サポート部材（例えば、図３のフィラメント４６）と、本発明の単結晶構造体を結合する際に、単結晶カソードと部材とを局部的に結合する技術を用いて、従来の問題点を解決する。この局部的結合技術は、単結晶カソードの中心を再結晶化することはなく、そのため、ＳＣＡＬＰＥＬシステムのような投影電子リソグラフシステムで使用できる、単結晶カソードと部材の接合されたものを提供できる。

本発明の一実施例によれば、局部結合技術はレーザ溶接である。さらに本発明の他の実施例によれば、前記部材は、単結晶カソードに対し、熱的／構造的なサポートを与えるフィラメントである。さらにまた、別の実施例によれば、単結晶カソードは、タンタル製で、フィラメントはタングステンと、タングステンレニウム合金と、タングステンタンタル合金のいずれかである。

図５は、本発明の一実施例のカソード１１０を示す。このカソード１１０は、従来のマイクロ多結晶タンタルホイルではなく単結晶である。本発明の単結晶カソードは、絶対的な意味での単結晶ではなく、構造体が±１°以下の変動を有する構造体である。本発明の単結晶構造（single crystalline structure）は、方向性のずれた粒子を有さない。その結果、本発明のカソード１１０は、従来のマイクロ多結晶ホイルよりも構造的な非均一性が少なく、より均一な放射特性を有する。その結果、本発明の単結晶カソード１１０は、従来のカソードの問題点を解決できる。さらにまた、本発明の単結晶のカソード１１０の結晶面は２％以下の変化しか有さない仕事関数を有し、これは、ＳＣＡＬＰＥＬ（と同様な投影電子リソグラフ）処理熱電子カソードとして用いるのに十分な均一性を有する。

本発明の一実施例においては、本発明のカソード１１０は、タンタル、タングステン、レニウム、モリブデン等の耐火結晶材料製である。さらに本発明の別の実施例によれば、本発明のカソード１１０は、タンタル、タングステン、レニウム、またはモリブデンの少なくとも１つの材料を含む合金製である。

本発明の他の実施例においては、単結晶カソード１１０は、タンタル製である。タンタルは、体心立方構造（body centered cubic：ｂｃｃ）を有する。図５に示したように、単結晶タンタルは、放射面Ａ（１００）と、Ｂ（１１１）は、それぞれ、４．０ｅＶと、４．１５ｅＶの、低い仕事関数を有し、これは従来の多結晶ホイル製のカソードが、約４．２５ｅＶの仕事関数を持つのとは対照的である。放射面Ｃ（１１０）は、４．８ｅＶの高い仕事関数を有する。仕事関数と電流とは反比例し、仕事関数が小さくなると生成される電流は大きくなる。そのため、放射面Ａ（１００）とＢ（１１１）は、それが使用されるＳＣＡＬＰＥＬシステムで、より高い電流を生成できる。

図６は、カソード１１０（図７）を、図３のフィラメント４６のような従来の熱供給／構造部材に接合する方法を示す。ステップ２００と２１０において単結晶カソード１１０とフィラメント４６をそれぞれ用意する。ステップ２２０において、単結晶カソード１１０とフィラメント４６を局部接合技術をもって接合する。

スポット溶接のような、全般接合技術は、本発明のカソード１１０をフィラメント４６に接合するのには使えない。その理由は、スポット溶接は溶接点に隣接する領域の単結晶カソード１１０の結晶構造を変えてしまうからである。フィラメント４６をタンタル製の単結晶材料の表面に強く押しつけ、高電流（最大１０００Ａ）を流して相互作用点の温度を３０００℃以上に上げる。従来のスポット溶接においては、カソード１１０全体を流れる大電流により、カソード１１０の上に熱抵抗とそれに関連する応力／引っ張り力を引き起こしてしまっている。

本発明は、単結晶カソード１１０をフィラメント４６と接合する局部接合技術を用いて、本発明の単結晶カソードを従来のフィラメントに接合する問題点を解決する。局部接合技術は、単結晶カソードの中心を再結晶することはなく（再結晶すると粒子の不整合を５−２０°に増加させる）、そのため、単結晶カソード１１０とフィラメント４６を含む接合品を、例えばＳＣＡＬＰＥＬシステムのような投影電子リソグラフシステムで使用できるようにしている。

本発明の別の実施例においては、局部接合技術はレーザ溶接である。レーザ溶接は、従来のスポット溶接とはまったく異なるもので、レーザ溶接は、サンプル表面の荒さ、表面抵抗と体積抵抗、サポートジグ抵抗とサンプルとジグの熱導電性には依存しない。その結果、レーザ溶接は、異なる２つの材料、例えばモリブデンとステンレススチール、あるいはイリジウムとタングステンを接合するのに有効である。レーザ溶接の別の特徴点は、１点集中性（pointness）であり、レーザのポイントは１５０−２００μｍの直径に集束でき、溶接深さは、表面から５０μｍには到達しない。レーザによるこの限られた加熱領域と、レーザのパルスの持続時間の短さ（通常数マイクロ秒）により、レーザ溶接は、純粋に断熱プロセスとして熱的に特徴づけることができる。すなわち、カソードの微細領域が溶けたときでも、その周囲の領域は冷めたままである。これは、従来のスポット溶接に対するレーザ溶接の大きな利点であり、レーザ溶接は、カソード全体の微細な部分にのみ働くが、従来のスポット溶接はカソード全体に影響を及ぼす。

本発明の一実施例においては、単結晶カソードはタンタル製である。さらに、本発明の他の実施例においては、単結晶カソードは、円盤状で、その直径は６００−１５００μｍで、厚さは２００−３００μｍである。さらにまた別の実施例においては、従来の部材は、熱供給部材と構造体サポート部材の両方である。さらに本発明の実施例においては、従来の部材は、リボン形状をしたフィラメントである。さらに本発明の一実施例においては、このフィラメントは、タングステンと、タングステンレニウム合金、タングステンタンタル合金のいずれかである。さらに本発明の一実施例においては、単結晶カソード１１０は、ソースとして用いて、Ｋｏｖａｒ（登録商標）と、モリブデン／レニウム（Ｍｏ／Ｒｅ）ポストと、タングステン（Ｗ）フィラメントを含むソースで用いられる。

［実験例１］
タンタル製の単結晶カソードの円盤の寸法は、１ｍｍの直径で、０．２ｍｍの厚さで、その重量は２．６×１０^-3ｇｍｓである。タンタルＡの単位熱量は、０．１５Ｊ／ｇｍである。レーザ溶接スポットは、２００μｍの直径で、５０μｍの深さの場合には、溶けるタンタルの量は、２．７×１０^-5ｇであり、そして必要な室温から３０００℃の融点までへの必要な熱温度上昇を仮定すると、吸収された熱量は、１２ｍＪである。この熱が、タンタル製カソード全体に分散した場合には、タンタル製カソードディスクの全体はわずか６２℃だけ温まるだけである。これに対し、従来のスポット溶接の電流パルスは、タンタル製カソードのディスク全体の温度を、約５００℃上げるが、その理由は、信頼できる溶接を出すための最低のパルスエネルギーは、約４Ｊだからである。図７は、レーザ溶接したタンタル製の単結晶カソード放射画像を示す。図７に示すように、粒子も境界も検出されていない。レーザ溶接は、カソードの感受性結晶構造に対し、悪影響を及ぼすことはない。

ＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）システムの概念を表すブロック図。 従来のＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）システムの露光ツールを表す図。 図１のＳＣＡＬＰＥＬ（登録商標）システムの従来のソースを表す図。 スポット溶接により引き起こされた、方向がずれた結晶中心を有する構造体の顕微鏡写真。 本発明の一実施例によるレーザで溶接したタンタル製の単一結晶カソードをフィラメントに結合した状態を示す顕微鏡写真。 本発明の一実施例による、従来のフィラメントと単一結晶カソードを接合する方法を表す図。 レーザ溶接したタンタル製の単結晶カソード放射像を表す写真。 アクティブ領域外の望まないレジストを除去するためにイオンエッチングするための方法を示す図。 図５と同様な写真。

符号の説明

９ 散乱マスク
１０ 電子
１１ 薄膜
１２ 高密度散乱素子
１４ ビーム
１５ 電磁レンズ
１６ バック焦点面フィルタ
１６' 開口
１７ ワークピース
１８ 散乱素子
２０ 露光ツール
２２ ソース
２４ マスク段
２６ 画像光学装置
２８ ウェハ段
３０ 計測プレート
４２ カソード
４３ アノード
４４ グリッド電極
４５ 焦点プレート
４６ フィラメント
４９ 接合品
５０ 焦点
１１０ カソード
２００ 単結晶カソードを用意する
２１０ フィラメントを用意する
２２０ 局部接合技術を用いてフィラメントとカソードを接合する。

Claims (9)

1. 単結晶構造を有する単結晶カソードと、
   前記単結晶構造を有する前記単結晶カソードに接合される部材とを含む
   ことを特徴とする接合品。
2. 前記単結晶カソードは、構造的および放射的に非均一性が少ない
   ことを特徴とする請求項１記載の接合品。
3. 前記単結晶カソードは、タンタル製である
   ことを特徴とする請求項１記載の接合品。
4. 前記単結晶カソードの放射面の仕事関数は低い
   ことを特徴とする請求項３記載の接合品。
5. 前記放射面は、（１１１）面である
   ことを特徴とする請求項４記載の接合品。
6. 前記放射面は、（１００）面である
   ことを特徴とする請求項４記載の接合品。
7. 前記単結晶カソードは、仕事関数の低い耐火性の結晶材料、あるいはその合金である
   ことを特徴とする請求項１記載の接合品。
8. 前記単結晶カソードは、投影電子リソグラフシステムの一部である
   ことを特徴とする請求項１記載の接合品。
9. 前記単結晶カソードは、±１°以下の方向性変動を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の接合品。

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